衍射微透鏡的制作方法

衍射微透鏡有會(huì)聚光能、矯正像差和成像的作用，并且體積小、質(zhì)量輕、集成度高、易于復(fù)制而被廣泛地應(yīng)用于紅外光電探測器、圖像識別和處理、光通訊、激光醫(yī)學(xué)、空間光學(xué)等許多領(lǐng)域。其主要的制作方法有二元光學(xué)技術(shù)、電子束直寫技術(shù)以及灰度掩模技術(shù)等方法。

（1）二元光學(xué)技術(shù)

上世紀(jì)八十年代中期，美國MIT林肯實(shí)驗(yàn)室Veldkamp領(lǐng)導(dǎo)的研究組在設(shè)計(jì)新型的傳感系統(tǒng)中，率先提出了“二元光學(xué)’’的概念。它不同于傳統(tǒng)的制作方式，利用了制作集成電路的生產(chǎn)方法，使用的掩模是二元的，且掩模用二元編碼的形式進(jìn)行分層。隨后二元光學(xué)迅速發(fā)展成為--I'-J技術(shù)，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的青睞。二元光學(xué)技術(shù)非常適合于衍射微透鏡陣列的制作，其中微透鏡的邊界容易做到整齊和尖銳，微透鏡陣列的填充因子可達(dá)100%，而且具有重量輕、造價(jià)低、易于微型化、陣列化等優(yōu)點(diǎn)。二元光學(xué)采用相位量化的二元編碼和制作順序是在N個(gè)工藝步驟中形成的相位級數(shù)由N+I提高到2N，見圖1．2，大大減少了工藝步驟迭代的次數(shù)，降低了制造高衍射效率的衍射光學(xué)元件所需要的加工成本。二元光學(xué)臺階衍射微透鏡制作過程基于成熟的微電子工藝，適于大批量生產(chǎn)。

當(dāng)位相臺階數(shù)增加時(shí)，二元光學(xué)元件也能象連續(xù)浮雕元件一樣，具有很高的衍射效率。當(dāng)位相臺階數(shù)分別為2、4、8、16時(shí)，理論衍射效率分別為4l%、81%、95%和99%。隨著臺階數(shù)的增加，衍射效率增加，同時(shí)制作難度也會(huì)加大，對準(zhǔn)精度要求也更高。為確保高的衍射效率和制作精度，需采用多次光刻和刻

蝕工藝來產(chǎn)生多位相臺階衍射微透鏡。在光刻工藝中，二元光學(xué)元件的位相等級數(shù)L和所需的掩模數(shù)N之間存在這樣的關(guān)系：L=2Ⅳ。因此制作8相位臺階和16相位臺階微透鏡分別需要三塊和四塊掩模版。實(shí)際制作中一般采用三塊掩模版，經(jīng)三次光刻和三次刻蝕技術(shù)制造八相位(或八臺階)衍射微透鏡陣列，可基本滿足要求。微透鏡陣列的制作工藝主要包括掩模版的設(shè)計(jì)和制作，利用光刻技術(shù)將所設(shè)計(jì)的掩模版圖形轉(zhuǎn)印到光刻膠上，利用干法刻蝕或濕法刻蝕技術(shù)將光刻膠圖形高保真地轉(zhuǎn)移到襯底表面，形成所需的浮雕結(jié)構(gòu)。

(2)電子束直寫技術(shù)

為了避免多次套刻出現(xiàn)的誤差累積問題，人們開發(fā)出了多種一次成型的加工技術(shù)，如金剛石車削法、激光直寫法、化學(xué)沉積法等。直寫法是比較實(shí)用的方法，分為電子束直寫、離子束直寫以及激光束直寫三種。采用電子直寫技術(shù)制作微光學(xué)器件始于80年代初，電子束直寫原理與激光束直寫不同，在進(jìn)行直寫前，必須在基底上預(yù)先鍍一層導(dǎo)電膜(如Au，In，O，等)，以便曝光時(shí)泄露電子。電子束直寫的分辨率非常高，美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校電子工程系利用電子束直寫技術(shù)制作的直徑為45um的微透鏡，其臨界尺寸僅為60nm。電子束直寫是制作亞波長結(jié)構(gòu)微透鏡的重要手段。

(3)灰度掩模技術(shù)

灰度掩模技術(shù)利用灰度等級掩模版經(jīng)一次光刻實(shí)現(xiàn)多臺階衍射光學(xué)元件或連續(xù)位相變化的浮雕圖形，然后經(jīng)刻蝕(或薄膜沉積)，將圖形高保真地轉(zhuǎn)移到基底上。該技術(shù)把復(fù)雜的多次光刻和圖形轉(zhuǎn)移簡化為一次完成，無套刻中對準(zhǔn)誤差等問題，適合于大批量生產(chǎn)，縮短了生產(chǎn)周期和降低了成本。灰度掩模技術(shù)關(guān)鍵之處就是灰度等級掩模版的制作。比較常用的兩種方法是彩色編碼掩模版和高能電子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同顏色，表示不同的灰度等級，一種顏色代表一個(gè)灰度等級，四相位表面浮雕分布，用四種顏色表示，八相位浮雕表面分布用八種顏色表示，然后再將用顏色表示的灰度圖形，用高分辨率彩色打印機(jī)打印在透明膠片上，再將此彩色膠片通過精縮轉(zhuǎn)到成黑白透明膠片上，這樣就形成了具有不同灰度等級掩模版，通過一次曝光可得到多相位臺階的浮雕表面分布結(jié)構(gòu)。這種掩模版分辨率較低，器件的相位輪廓臺

階束直接受到打印機(jī)彩色等級限制。高能電子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其對不同能量電子束的敏感程度不同，形成透過率為臺階變化或連續(xù)變化的真正灰度掩模版。這種掩模版分辨率高，可達(dá)500個(gè)灰度等級，且掩模版制作過程簡單，成本低。利用HEBS扶度等級掩模版所制作的元件具有分辨率高，衍射效率局等其它方法所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。隨著扶度等級的升高。浮雕分布近似連續(xù)分布，但是扶度掩模的制作隨著其灰階的增多將變得十分困難，制作成本也將大幅度上。

以上所迷的各種微透鏡陣列的制作方法，對于制作小批量的微透鏡陣列較為臺適。但是，直¨果需要大批量生產(chǎn)微透鏡陣列，以上方法就不太方便，而且成本高，總的生產(chǎn)過程復(fù)雜，產(chǎn)品均勻性難以保證。因此發(fā)展復(fù)制技術(shù)成為降低微光學(xué)器件成本、推J1應(yīng)用的關(guān)鍵。一般在光刻膠表面制作微結(jié)構(gòu)具有以下缺點(diǎn)：

一、光刻膠材料表面比較粗糙，易引起漫敞射，降低器件的光學(xué)性能；

二、光刻膠材料表面機(jī)械強(qiáng)度低，易受磨損且不適用于惡劣環(huán)境。